自清洗過濾器淺析再生水處理工藝浸沒式連續微濾的優化研究方案
來源：北京萊金源水處理技術有限公司 閱讀：13265 更新時間：2025-09-01 09:41本文針對北京市某再生水廠的浸沒式微濾工藝，結合該工藝的運行情況以及化學清洗效果，提出了微濾工藝的最佳過濾周期和氣水反沖洗方式，并分析研究造成化學清洗效果不佳的原因，為水廠改進現有工藝、提高清洗效果、減少運行費用提供必要的基礎數據。
1 試驗裝置與方法
1.1 工藝流程及裝置介紹
試驗中使用的原水為再生水廠的微濾工藝進水，即污水廠二級出水經過混凝沉淀和500μm格柵后的出水。試驗裝置見圖1。
圖1 試驗裝置示意圖
原水經原水泵提升至中間水箱后依靠自身重力進入微濾膜池，微濾膜池內的水位通過中間水箱的溢流作用保持恒定。微濾的部分出水收集到反洗水箱，作為氣水反沖洗的水源。
試驗裝置包括：膜組件、變頻出水/反沖洗泵、氣水管路、反沖洗用曝氣泵。裝置中設置6個閥門，通過閥門控制微濾膜的過濾和氣水反沖洗過程：開啟閥門a、c、d，關閉閥門b、e、f，為微濾膜的過濾過程;開啟閥門e、f，關閉閥門a、c、d，進行氣水反沖洗，反洗廢水通過打開閥門b排放。在運行過程中，浸沒式微濾膜利用出水泵的抽吸作用過濾，底部設有曝氣頭，利用曝氣泵提供反洗時的曝氣。
1.2 試驗方案
本試驗分為兩個部分：過濾與氣水反沖洗參數優化研究;根據氣水反沖洗過程中的加藥工藝對化學清洗效果的影響，對該加藥工藝進行優化研究。
1.2.1過濾與氣水反沖洗參數優化
膜分離采用恒流出水，流量為3.15m3/h，膜組件的工作通量為31.5 m3/(m2·h)，試驗記錄膜運行過程中的跨膜壓差TMP。
微濾工藝的過濾與氣水反沖洗參數優化采用正交試驗的統計學設計方式來確定[4]。再生水廠微濾工藝過濾、氣水反沖洗主要運行參數為(A)單獨氣洗30s，(B)氣水聯合反洗15s，(C)過濾周期30min，以此三參數作為微濾工藝過濾與氣水反沖洗正交試驗的影響因素，每個因素選擇三個水平，見表1。
表1過濾與氣水反沖洗正交試驗的因素與水平
|
水平 |
因素 |
||
|
A/單獨氣洗時間/s |
B/氣水聯合反洗時間/s |
C/過濾周期/min |
|
|
1 |
20 |
10 |
30 |
|
2 |
30 |
15 |
50 |
|
3 |
40 |
20 |
70 |
1.2.2氣水反沖洗過程中的加藥工藝優化
目前，再生水廠浸沒式微濾工藝未二十四小時連續運行，在氣水反沖洗過程中定時向反洗儲池進水管道上投加2~5ml次氯酸鈉期刊網，其作用是對反洗水儲池以及反洗管道進行殺菌，但該加氯過程可能是導致微濾膜氯化學清洗效果不理想的主要原因。
氣水反沖洗能在一定程度上緩解膜污染，但隨著過濾時間的延長，不可逆膜污染物質會逐漸累積，導致跨膜壓差逐漸增加，這時需要用化學溶液對膜進行清洗。目前再生水廠的化學清洗包括氯化學清洗和酸化學清洗，氯化學清洗溶液為500ppm的次氯酸鈉溶液，酸化學清洗溶液為鹽酸與檸檬酸按一定比例配置成pH為2的清洗液。氯化學清洗效果不理想，清洗前后的跨膜壓差恢復率較低，根據再生水廠現有工藝分析，是由于微濾工藝氣水反沖洗過程中間歇投加定量的次氯酸鈉緩解了膜表面的微生物和有機物等污染，減弱了次氯酸鈉化學清洗所針對的膜污染物質積累，從而使得氯化學清洗效果不佳。
根據以上分析，試驗設計了三種不同加藥方式的試驗方案, 分別為過濾過程中不投加藥劑、間歇投加定量NaClO、間歇投加定量HCl。當跨膜壓差增大到一定值時停止運行，對微濾摸進行氯化學清洗，記錄氯化學清洗前后的跨膜壓差值。每種加藥方式下分別進行三次連續試驗，即分別進行三次氯化學清洗，每三次氯洗后進行一次酸洗以較大程度地恢復跨膜壓差，再進入下一個加藥方式下的過濾過程，試驗方案見表2。
表2 氣水反沖洗過程中的加藥工藝優化試驗方案
|
試驗序號 |
1 |
2 |
3 |
|
加藥方式 |
不投加藥劑 |
投加NaClO |
投加HCl |
|
加藥間隔（h） |
24 |
24 |
24 |
|
加藥量（mL） |
/ |
4 |
8.5 |
|
試驗次數 |
3 |
3 |
3 |
1.3 跨膜壓差恢復率
在浸沒式微濾膜分離過程中，原水中的懸浮物顆粒和溶解性有機物、無機物會形成濾餅層和濃差極化，還可能吸附、沉積在膜孔內[5]，有效的氣水反沖洗可以去除膜表面濾餅層和破壞濃差極化，恢復膜的透水性能[6]，減小跨膜壓差。
跨膜壓差恢復率η，是指氣水反沖洗或化學清洗前后的跨膜壓差降低的程度，定義如式(1)所示 ：
η=(TMP1-TMP2)/TMP1×100%(1)
式中η—跨膜壓差恢復率;
TMP1—系統結束運行時的跨膜壓差(-MPa);
TMP2—系統初始運行時的跨膜壓差(-MPa)。
試驗中的膜出水流量不變即膜通量維持恒定期刊網，而跨膜壓差TMP隨著運行時間的增長而增大，因此以跨膜壓差恢復率η來評價氣水反沖方式對膜污染的影響，并以此反映上述三種試驗方案下濾化學清洗的效果差異。同時結合膜污染速率δ來說明操作條件對膜污染的影響，δ表示單位時間內跨膜壓差的變化，反映了膜污染的速率，其定義見式(2)。
δ=(TMP1-TMP2)/t(2)
式中δ—膜污染速率(KPa/h);
t —累計運行時間，h。
2 試驗結果與討論
2.1 過濾與氣水反沖洗參數優化試驗
根據表1設計的正交試驗方案，共進行了9次試驗，試驗結果如表3所示。
表3過濾與氣水反沖洗參數優化的正交試驗結果
|
項目 |
試驗號 |
A |
B |
C |
跨膜壓差恢復率η（%） |
出水濁度（NTU） |
|
試驗結果 |
1 |
1 |
1 |
1 |
3.82 |
0.15 |
|
2 |
1 |
2 |
2 |
8.51 |
0.44 |
|
|
3 |
1 |
3 |
3 |
8.72 |
0.40 |
|
|
4 |
2 |
1 |
2 |
7.59 |
0.19 |
|
|
5 |
2 |
2 |
3 |
6.73 |
0.23 |
|
|
6 |
2 |
3 |
1 |
6.53 |
0.36 |
|
|
7 |
3 |
1 |
3 |
9.31 |
0.24 |
|
|
8 |
3 |
2 |
1 |
9.85 |
0.19 |
|
|
9 |
3 |
3 |
2 |
9.68 |
0.19 |
|
|
極差計算 |
k1 |
7.017 |
6.907 |
6.733 |
||
|
k2 |
6.950 |
8.363 |
8.363 |
|||
|
k3 |
9.613 |
8.310 |
8.253 |
|||
|
R |
2.597 |
1.403 |
1.520 |
表3的試驗結果表明出水濁度受氣水反沖方式的影響很小，比較穩定，滿足該工藝的出水要求，因此將跨膜壓差恢復率作為氣水反沖洗效果的評價指標。由極差計算結果可知，對跨膜壓差恢復率影響最大的因素是單獨氣洗時間，其次是過濾周期，影響最小的是氣水聯合反洗時間;該浸沒式微濾的最佳過濾周期與氣水反沖洗參數為：過濾周期為50min，氣水反洗時單獨氣洗40s，氣水聯合反洗15s。在微濾膜過濾過程中，前處理工藝混凝沉淀中形成的未沉降的絮體以及原水中的固體顆粒等在膜表面上產生了致密厚實的濾餅層，僅靠水反洗不能將濾餅層完全去除，膜元件的底部曝氣能有效地沖刷掉膜表面的污染物，同時使膜絲產生震蕩從而將已經脫離膜表面的污染物質從裝填密度高的膜絲之間分離出來[5]，所以單獨氣洗對整個氣水反沖洗的效率起關鍵作用，這與從正交試驗所得結果相一致。將正交試驗得到的最佳運行參數與原有工藝的運行參數進行對比，結果如表4示。
表4最佳運行參數與原工藝運行參數對比結果
|
運行工況 |
單獨氣洗時間 （s） |
氣水聯合反洗時間 （s） |
過濾周期 （Min） |
跨膜壓差恢復率η （%） |
膜污染速率δ （MPa/h） |
|
最佳運行參數 |
40 |
15 |
50 |
7.94 |
1.44×10-3 |
|
原工藝運行參數 |
30 |
15 |
30 |
5.41 |
2.90×10-3 |
從表4中可以看出，最佳運行參數下的跨膜壓差恢復率比原有工藝的跨膜壓差恢復率提高了46.65%，而膜污染速率降低了50.34%，最佳運行參數的氣水反沖洗效率明顯提高期刊網，而膜污染速率減緩。從運行費用來看，兩種運行參數的運行費用差異主要來自于氣水反沖洗所消耗的進氣總量和進水總量，對比結果如表5所示。
表5 兩種運行參數下的氣水反沖洗對比結果
|
對比項目 |
氣水反沖洗次數（次/天） |
進氣總耗量（m3/天） |
進水總耗量（m3/天） |
|
最佳運行參數 |
28 |
2217.6 |
113.4 |
|
原工藝運行參數 |
45 |
2916 |
182.25 |
與原工藝運行參數相比，最佳運行參數下浸沒式微濾工藝的過濾周期增長，每次氣水反沖洗的進氣時間增大。但從整體上看，反沖洗進氣總耗量降低了23.95%，反沖洗進水總耗量降低了37.78%，運行費用有所降低;同時反沖洗總耗水量的減少，提高了微濾工藝的產水率。
2.2 氣水反沖洗過程加藥工藝優化試驗
根據表2設計的加藥工藝優化試驗方案，共進行了9次試驗。當微濾膜跨膜壓差增大到一定值時，停止過濾進行濾化學清洗。用清水浸泡并抖動膜絲10min，然后用500ppm的次氯酸鈉溶液以較低流量透過膜并返回到膜池的方式循環30nin，浸泡30min，循環30min，浸泡30min(總計2h)，結束后用清水浸泡30min后開始過濾。對污染后的膜組件進行肉眼觀察，膜組件表面被厚厚的濾餅層所覆蓋，膜纖維大量粘連。膜面的濾餅層手感膩滑，呈棕黑色(見圖1)，用清水清洗并抖動膜絲時，濾餅層幾乎自動脫落。清水清洗后的膜表面顏色呈乳黃色。進行氯化學清洗之后，膜表面的顏色要比清水清洗后的顏色更淡(見圖2)。對氯化學清洗前后的膜絲表面進行電鏡掃描(見圖3)，可以看出氯洗前膜表面為一層致密的污染物質，已經不能看出膜表面的孔隙，經過氯清后的膜表面能看出膜孔，但沒有清洗徹底，膜表面及膜孔內仍有附著的污染物質期刊網，需要采用其他種類的化學清洗藥劑(如酸)清洗。
圖2 污染后膜表面和氯化學清洗后膜表面肉眼觀察圖
圖3 氯化學清洗前后膜表面的電鏡掃描圖
試驗結果如表6所示。
表6 三種不同加藥方式的氯化學清洗效果比較
|
加藥方式 |
不投加藥劑 |
定期投加定量NaClO |
定期投加定量HCl |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
|
|
氯洗前TMP（-MPa） |
0.060 |
0.067 |
0.060 |
0.063 |
0.065 |
0.062 |
0.069 |
0.065 |
0.062 |
|
氯洗后TMP（-MPa） |
0.012 |
0.015 |
0.016 |
0.017 |
0.018 |
0.0185 |
0.013 |
0.014 |
0.0155 |
|
氯洗效率（%） 氯洗效率平均值（%） |
80.00 |
77.61 |
73.33 |
73.02 |
72.31 |
70.16 |
81.16 |
78.46 |
75.00 |
|
76.98 |
71.83 |
78.21 |
|||||||
從表6中任一加藥方式下運行的三次氯洗效果比較可以看出，氯洗效果逐次減弱。膜初始運行階段膜表面污染較輕，用低濃度的次氯酸鈉溶液可以對膜組件進行在線清洗，主要去除膜表面的微生物和有機物污染，隨著運行時間延長，膜表面聚集的以鈣鹽和氧化鐵水合物為堵塞主體的無機物結垢污染越來越嚴重，需要加入酸浸泡清洗[7]。在膜運行過程中定期投加定量的NaClO時，其氯洗效果比不投加任何藥劑時的氯洗效果降低了6.7%，這說明在氣水反沖洗過程中間歇投加NaClO降低了氯化學清洗效果，這與試驗前期做的理論分析相一致。第三種加藥方式下的氯化學清洗效果比另外兩種運行方式的清洗效果好，這時由于在膜運行過程中定期投加定量的HCl一定程度上緩解了膜表面的無機物結垢污染，膜表面的微生物和有機物污染占主體，從而使氯化學清洗效率得到了提高。由以上分析可知再生水廠的氯洗效果不佳的主要原因確實是浸沒式微濾工藝氣水反沖洗過程中的間歇加氯緩解了膜的有機物和微生物污染，減緩了該類污染物質的積累，降低氯化學清洗效率。可以采取以下改進措施對水廠的氣水反沖洗過程中加藥工藝進行優化，提高NaClO的利用效率，降低運行成本：在控制微濾反洗儲池和反洗管道內微生物滋生前提下，反沖洗時減少NaClO的投加量或延長投加時間間隔;在間歇投加少量NaClO以控制微濾反洗儲池和反洗管道內微生物滋生前提下，反沖洗過程中投加HCl，可以提高氯洗效果，延長酸化學清洗洗周期，降低酸洗對膜造成的不可逆損傷，延長膜壽命。
3 結論
(1)通過正交試驗確定在該水廠的進水條件下，浸沒式微濾工藝的最佳過濾與氣水反沖洗參數為：過濾周期為50min，氣水反洗時單獨氣洗40s，氣水聯合反洗15s。與原工藝相比，最佳運行參數下的氣水反沖洗效果提高了46.65%期刊網，膜污染速率降低了50.34%;同時從整體上減少了總進氣量和總進水量，降低運行費用，減少反沖洗的自耗水量，提高了產水率。
(2)再生水廠浸沒式微濾膜的氯化學清洗效果不佳，主要是由于氣水反沖洗過程中的加氯工藝導致，在NaClO的投加間隔時間內投加定量的HCl，可以提高氯洗效果。根據水廠的實際情況可以采取以下措施來提高氯化學清洗效率：①減小氣水反沖洗時的NaClO投加量或延長投加時間，減少了NaClO總投加量，提高氯洗效果，從而提高了次氯酸鈉的有效利用率，降低運行費用;②在氣水反沖洗過程NaClO的投加間隔時間內，選擇合適的加藥點投加定量的HCl，能提高氯洗效果，延長酸化學清洗的周期，從而延長膜壽命，降低運行成本。
參考文獻
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